固態斷路器

20世紀70年代末出現了一些用晶閘管器件作開斷元件的特殊斷路器，由於這種斷路器中沒有機械運動部分，所以又稱為固態斷路器(SolidStateCircuit Breaker，SSCB)。最早的固態斷路器包括兩種基本類型：在電流第一次自然過零時開斷的單環斷路器；以及在電流第一次自然過零之前通過轉移迴路產生人工高頻零點而開斷的限流斷路器。由於晶閘管型的固態斷路器只有過零才能開斷，開斷延遲較大不能準確控制開斷時刻，而人工過零又需要研究相應的配套技術並增加電流轉移迴路的投資。但近年來自關斷器件(如GTO、IGBT等)的出現給固態斷路器的發展帶來了新的轉機，可以準確控制開斷時刻並能解決故障電流的限流開斷問題。

基本介紹

• 中文名：固態斷路器
• 外文名：SolidStateCircuit Breaker
• 縮寫：SSCB
• 作用：解決故障電流的限流開斷問題
• 出現時間：20世紀70年代末
• 學科：電學

介紹

固態斷流器（Solid State Circuit Breaker）主要依託於現代電子技術，通過無觸點開關實現對斷路器操動速度和準確性的控制。可以說固態斷路器集合了微電子技術、現代通信技術以及感測器技術等多種高端技術，對於固態斷路器的研究，有助於提升我國輸電線路穩定性和電網數位化管理的整體水平，同時也是斷路器智慧型化、現代化發展的主要方向

固態斷流器結構特徵

斷路器是負責開合和斷開正常迴路狀態下的電流，並能閉合、承載在規定時間內異常迴路狀態下電流的開關裝置。可以說斷路器是維護電力電網安全、可靠運行的核心環節。

通常情況下，斷路器主要結構可以分為操動機構和滅弧室組成，通過操動機構帶動滅弧室的觸頭進行開啟、閉合動作，從而達到斷開和承接電路的目的。現階段，斷路器常用於110k V 及以上電壓等級，在高壓輸電系統中有著非常廣泛的套用。我國目前主要套用的斷路器有油控斷路器、真空斷路器以及 SF6 斷路器等，其中真空斷路器常套用於中低壓等級的輸電系統。傳統斷路器工作流程如圖 1 所示。

固態斷路器是斷路器智慧型化形式之一，主要結構可以分為開關模組、主控模組、電源模組、冷卻保護模組以及信號處理模組五大部分組成。固態斷路器主體結構如圖 2 所示。

1.1 開關模組

固態斷路器的開關模組主要由電力電子器件串並聯構成的，通過這些器件的開啟和閉合完成對正常迴路中電流的開斷控制。
1.2 主控模組

主控制模組是固態斷路器的中樞，主要由單片機配合驅動電路、液晶顯示屏及鍵盤進行工作。首先對通信模組傳輸來的數字模擬信號進行邏輯運算，輸出符合預設保護特徵的電平信號，電平信號經過放大器放大，驅動固態斷路器電力電子器件的開啟、閉合動作。
1.3 電源模組

用於給主控模組、信號處理模組以及驅動模組提供工作所必需的電能。
1.4 冷卻保護模組

固態斷路器的冷卻模組主要用來吸收電子器件散發出的熱量，最大限度的減少對電子器件造成的熱損傷。主要由電阻並聯二極體，然後再與電容串聯組成，分別位於電力電子器件的兩端。
1.5 信號處理模組

信號處理模組主要是對主線路中的電流信號進行檢測和處理，去除無用信號，然後將其轉換成可供傳輸利用的數字模擬信號，並傳輸到主控制模組中。

套用現狀

固態斷路器大功率化的套用

現階段，我國對於固態斷路器的套用，僅限於額定電流較低的情況，但是由於電網規模的不斷擴大，電流容量進一步增加，使得固態斷路器大功率化的研究已經成為一種趨勢。但就目前來看，對於固態斷路器驅動脈衝信號的同步控制以及電壓、電流均衡化處理，依然存在很多不完善的地方。首先對於驅動脈衝信號同步控制方面，現有的固態斷路器往往會出現電力電子器件開啟、閉合異步，產生不均壓和不均流現象，對器件造成損傷，甚至會影響整個系統的正常運行；其次，在固態斷路器中，電力電子器件較為分散，會給驅動電路的信號傳播帶來一定的延遲，再加上電力電子器件開啟、閉合異步等因素，在斷路器操動過程中會造成電壓、電流分布不均勻，致使器件損壞。由此可見，對於固態斷路器的平衡設計是非常重要的，尤其是動態平衡方面，將是決定固態斷路器發展的關鍵問題。

固態斷路器的限流功能

固態斷路器的限流功能可以有效的防止短路電流，提升電網系統運行的安全性和可靠性。現階段固態斷路器的限流方式，主要有電阻限流、超導限流以及固態限流三種形式。PTC 電阻限流主要是利用熱敏電阻 PTC正溫度係數的特性，在電力設備正常運行的過程中，熱敏電阻 PTC 的阻值很小，溫度較低。一旦電網中出現短路電流，熱敏電阻PTC 會受熱膨脹，電阻值急劇上升，限制短路電流繼續通過，從而起到保護電力設備的作用。對於熱敏電阻 PTC 在實際套用中的不足，對於限制感性負載的條件下，會使 PTC 嚴重發熱，對於連線設備的機械強度和熱效有著較高的要求，而且單個的 PTC 固有電壓和電流額定值較低，通用性不高。超導限流主要藉助超導材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近於 0 的性質，當電網中存在短路電流，超導材料有零阻抗變為非線性的高電阻，從而抑制短路電流的通過。對於超導限流的表現形式，主要有電阻型、電抗器型磁通型以及變壓器型四種。

固態限流主要利用電力電子器件實現對電流迴路的開啟和閉合。由於固態限流採用電力電子器件，例如：用功率半導體做主開關管，一旦發生短路現象，電容自身的電流通過諧振支路釋放，使流過功率半導體的電流反向，實現對線路的切斷作用。由此可見，固態限流具有操動速度較快、動作時間短等優勢。現階段，我國對於固態限流的研究主要集中在電抗器限流、可變電阻式限流、串補限流以及固態開關限流四種形式。其中電抗器限流、可變電阻式限流、串補限流只適用於交流環境，而固態開關限流則通用於交、直流環境。

固態斷路器檢測、控制方法

固態斷路器如何準確有效的檢測故障電流和電壓，是確保電力設備安全運行的關鍵所在。在具體套用過程中，斷路器如果只檢測電流的幅值或者有效值，會對其操動性造成一定的延遲，所以必須要綜合評定故障電流和電壓幅值、有效值的變化頻率。此外，為了降低線路開啟、閉合對主控制迴路造成的影響，軟開關控制方法也融入到固態斷路器的設計當中，通過外部迴路的諧振作用對主控制迴路在電壓、電流過零狀態下的切換，最大限度的降低對電力電子器件造成的損耗。